渦旋壓縮機靜渦旋盤實際工況下的變形分析

Abstract:The force on fixed scroll under actual conditions are studied,the finite element model of fixed scroll is presented to study the displacement of fixed scroll,the results are successfully achieved.
Keywords:scroll compressor,finite element,displacement

1　引言

渦旋壓縮機以其雜訊小、效率高等一系列優點，近年來得到了迅速的發展和廣泛的應用，在家用空調和汽車空調上正迅速的取代往複式壓縮機，作為渦旋壓縮機主要工作部件的動、靜渦旋盤，工作過程中的嚙合狀態將直接決定壓縮機的運行效率，在實際的工況下，渦旋盤的變形情況直接影響著動、靜渦旋盤的嚙合狀態，所以很有必要對渦旋盤進行實際工況下的變形分析。本文通過建立和求解渦旋壓縮機工作過程的動力與熱力模型，得到了渦旋盤的受力情況，據此採用有限元分析應用軟體SAP90對靜渦盤在實際工況下的變形進行了分析和計算。靜渦盤和動渦盤的受力有相似的地方，但由於結構上的一些不同，所以應力和變形也有不同之處，本文選擇對靜渦盤進行分析研究。

2　引起渦旋盤應力變形的作用載荷

在渦旋壓縮機的工作過程中，渦旋盤所受載荷主要有兩部分：一是溫度載荷，二是各種氣體力和接觸力載荷。工作過程中的靜渦盤，主要承受氣體軸向力、徑向力、切向力，以及動、靜渦旋盤之間的接觸力，自身的重力。工作過程中，處於渦旋盤外側的吸氣腔內的壓力為吸氣壓力，與排氣口相通的中心腔內的壓力為排氣壓力，在渦旋齒上，只有在內外側存在壓差的部分才受到氣體徑向力的作用，氣體軸向力作用在渦旋盤的端板上，其大小從外側的吸氣壓力到中心的排氣壓力逐漸地變化。渦旋盤在工作過程中不僅受到各種力載荷，還要受到溫度載荷的作用，處於外側的壓縮腔內的氣體溫度較低，而中心腔內的氣體溫度較高，其值與氣體的被壓縮程度有關，溫度從外側到中心逐漸地升高。渦旋盤所受各種載荷的大小可經求解壓縮機工作過程的熱力和動力學模型得到。本文計算對象採用甘肅工業大學渦旋壓縮機研究所開發研製的QWR－3.75kW渦旋壓縮機，渦旋盤材料為合金鑄鐵，渦旋圈數為2.675圈，齒高H=40mm，齒厚t=3.6mm，吸氣壓力Ps=0.6183MPa，排氣壓力Pd=2.1443MPa。實驗在該所容積式製冷壓縮機性能實驗台上完成，該實驗台經國家壓縮機製冷設備質量監督檢驗測試中心鑒定認可，實驗數據準確可靠。經實驗檢驗了本文所採用的熱力、動力模型的可靠性。

3　有限元模型的建立

考慮到靜渦盤的端板與渦齒厚度相比較厚，相差6倍左右，並且其周圍結構起到了加強的作用，實際工況下變形很小，為計算方便可將其假定為剛性體，而變形只發生在渦旋齒上。渦旋齒的厚度達3.6mm，故不能按二維情況處理。本文採用三維八節點實體單元進行計算處理，節點劃分從齒頭開始，採用圓的漸開線方程描述，每旋轉10°取一次。為了避免單元體三維尺寸差別過大而產生畸變，故齒厚方向不再劃分，齒高方向劃分為9層。單元描述順序與節點相同，對齒的劃分結果為單元768個，節點1908個。

4　約束的確定

由於端板簡化為剛性部分處理，所以齒根部與端板相連的底面上所有的節點在6個自由度上被全部約束，齒最外側即迴轉角為2.675×360°時的齒末端面與靜渦盤外側剛性部分相連，故此端面上的所有節點也被全部約束，不能移動、轉動。

5　變形分析

在壓縮機工作過程中，隨著曲軸的轉動，壓縮腔內的氣體壓力逐漸變化，作用在渦旋齒上的氣體壓力也隨著變化，經動力分析得出，在吸氣過程剛完成的瞬間，動渦盤端板所受內外壓力差最大，動盤變形也最大［1］，由於動渦盤與靜渦盤是相互嚙合、共同工作的，所以本文選擇這種狀態下的靜盤進行計算分析。
5.1　溫度載荷下的變形分析
壓縮機穩定工作時，渦旋齒溫度基本為均勻的從外側到中心逐漸升高，且內、外相差不很大，其值與齒各部所處壓縮腔內氣體溫度等因素有關，為了計算方便，簡化為第一壓縮腔渦旋齒溫度為65℃，第二壓縮腔渦旋齒溫度為75℃，中心腔渦旋齒溫度為85℃，設定渦旋盤工作前零應力溫度為10℃，經計算得出，穩定工作后，溫度的升高使渦旋齒頭部即溫度最高部產生了最大軸向變形，變形量為27μm，齒外側最小為24μm，如圖2。渦旋齒徑向變形除齒末端外，各處相差不大，約為1.2～3.4μm，最小量發生在齒頭部分，渦齒末端由於約束的特殊性，在很小的部分有29μm的徑向變形，如圖3。若零應力溫度改變，則變形量有一定的相應